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生灵有倒悬之急?地磁反转的真相

生灵有倒悬之急?地磁反转的真相
2022年12月31日 19:34 新浪网 作者 石头科普工作室

  

  “社稷有累卵之危,生灵有倒悬之急。”倒悬之急,常被用于形容处境极为艰难,出自战国·孟轲《孟子·公孙丑上》:“当今之时,万乘之国,行仁政,民之悦之,如解倒悬也”。正反、南北、左右这些自然法则已经构建了地球生灵赖以生存的安全屋,他们不仅为自然进化、万物生长与生灵繁衍规定了自然法则,还固定了我们文明更替中东升与西落、南北与方圆的定义。当一些自然的规则被打破,人们难免恐慌。

  自19世纪初探险家首次精确定位以来,磁北极一直在向北爬行——超过600英里(1100公里)。事实上,它现在移动得更快了,科学家估计,北极每年向北移动约40英里,而非20世纪初的每年10英里。我们需要接受一个事实,地球的南北极正在发生改变,也许直到有一天迎来地磁的反转。乍一听,造物主仿佛真的要把地球生物“倒悬”,然而这会是人类文明头上新的达摩克斯之剑吗?

磁极路径,1831年后为直接观测的数据,1831之前为古地磁数据重建

  01什么是地球磁场?

  地磁场,产生于是地球内部的天然磁性现象。地球的正常磁场约占地球磁极的99%,类似于一个磁偶极(magnetic dipole):其中一极在北极附近,另一极在南极附近。与经典的条形磁铁或冰箱上的装饰性磁铁不同,控制地球磁场的物质是四处移动的,故而又产生了剩余的1%——外源磁场和磁异常。在地球诞生之初就存在地磁与地磁力,现代物理学也将磁力认为是是统治物理宇宙的四大基本物理力之一。

地球磁场示意图

  但地球磁场从何而来?这一悬而未决的问题,困扰着理论物理学者的研究,也动摇着地球物理学的地基大厦。为了回答这一问题,科学家们先后提出了永磁体学说、内部电流学说、电荷旋转学说等等,最终被广泛接受的是电磁感应学说又称发电机学说。

  天文学家Larmor 通过对太阳的观测提出:“内部循环运动有可能以自激发电机的循环方式起作用,并以内部循环的一些能量为代价,保持磁场永久持续[1]。” 这一观点后来被利用于地磁场的研究,并开始逐渐发展为发电机理论:地球可通过其外核区域内液态铁的流动,将地磁场不断的放大直至如今的状态。而要维持住这样的地磁场,其能量的来源是内核与地幔的温度差所导致的热对流。简单来说,地磁是因为地球的固体铁芯被热的液态金属组成的流体海洋所包裹而形成的——液态铁在地核的流动中产生电流,进而产生磁场。发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观测、实验和理论研究上相对于其他的学说都得到了较多的证实,成为目前地球物理学比较认可的观点。

磁场产生示意图

  02地磁反转是规律,而非例外

  近些年的观测发现地球上存在着部分磁场异常区,科学界普遍认为这是地球磁场发生重大偏移甚至翻转的前兆。地球区域内磁场强度在不断的减弱,并且衰减速度近十年来快速增长,比如南大西洋地磁异常区每年的衰减速度是其他异常区的十倍之多。同时其他地磁异常区本身的面积也有扩大的趋势。一时之间,地磁反转的恐慌引发全球关注,甚至许多世界末日论者认为地磁的“异常”变化可能导致地球毁灭。

  其实与我们日常生活中的感知相反,地磁翻转是规律而非例外。科学家估计,在过去的30亿年里,至少发生过数百次逆转。如果你生活在大约80万年前,手里拿着指南针,面向我们所说的北方,指针就会指向“南方”。在过去的2000万年里,地球进入了大约每20万到30万年一次磁极反转的模式。在漫长的地质历史里,变化才是永恒的。

  距离人类最近的一次长时间地磁场反转是“布容尼斯-松山倒转”,发生在78万年前;地磁场两极反转持续了大概2万年。不过,并非所有的地磁场反转都会持续上万年,有时地磁场会在短时间发生两次反转,地质学上称为“地磁漂移”。比如4.1万年前的Laschamps地磁反转,整个过程只持续了1000年,其中两极反转的时间仅持续了250年。我们通过地磁变化的数据不难看出:磁极倒转在地质时间尺度上是一种常见的现象,但在这在人的寿命尺度内实际上是比较难以遇到的;同时,地磁反转是一个发生在数百年或数千年里的缓慢过程,并不是一次性的彻底的翻转,因而也是在一定程度上可以预测的。如果说地磁翻转有何影响?现在看起来,磁罗盘制造商会比较期待这一新的商机的到来。但是不能否认的是,我们人类仍对地球知之甚少,我们不得不防范一些风险出现,哪怕他的概率很小。

  03地磁翻转的影响

  对人类最重要的地球资源是什么?很多人第一反应是水或者氧气,很少有人提及地磁,但其实地磁的作用远超出公众的想象。由于太阳风中含有大量的高能带电粒子,因此会受到磁场的影响而绕开地球,如果地球磁场消失,那么高能带电粒子会进入大气层,这会给地球生物带来毁灭性的打击。地磁场不仅如护盾一般保护着人类的生存与发展,它还是众多现代科学技术的基石。随着指南针传入西方世界,地磁场便为人类的航海事业提供了无比重要的帮助,同时也促进了众多科技的发展——地磁场的相对稳定性也是其成为信息交流的载体的重要原因。

关心磁场的原因很简单:保护着我们

  出于对地磁场的关心,一些谨慎的科学家开始提醒大家关注地磁翻转的危害。阿德莱德大学的Cooper(2) 等人对新西兰沼泽贝壳杉树的放射性碳记录与地磁极性转换前后的磁场强度进行相关性分析,并使用超级计算机模拟了大约41000年前Laschamps地磁逆转的后果。他们发现,地磁场减弱影响大气层对太阳光的吸收,导致气候巨变,使得当时地球气温降低,最终导致澳大利亚多种大型哺乳动物灭绝,如长毛猛犸象、巨型袋熊等。这一研究证实了地磁场反转曾推动物种灭绝,很多人担心相同的悲剧会发生在人类身上。同时,Alanna Mitchell在她的著作《The Spinning Magnet》中也警告到:“the force that created the world, and could bring about its end”。如果地磁场位置与强度的稳定性不复存在,那么等待地球的是一个没有电网和电子通信的未来。这对现代社会来说将是如同“世界末日”般的打击。

  42000年前的人类在洞穴壁画中留下了越来越多的红赭石手印,赭石被是一种古老的防晒霜,这被认为是紫外线增强的证据,从而与地磁场减弱导致臭氧减弱相互印证。

  如果地磁反转发生,确实会带来生态灾难,这点其实无需论证。但问题在于地磁翻转是否发生?何时发生?会在人类文明的尺度内发生吗?

  

  人类社会确实面临着“倒悬”,但远没有达到“急”的程度。人始终要面对确定发生的困境,而非挑战虚无缥缈的对手。目前的观测技术和预测手段其实并不能证实地磁翻转即将发生的紧迫性,我们脑补的危机感也许只会发生在科幻小说里。与其焦虑地磁反转可能带来的世界末日,不如减少精神内耗,找到观测地磁变化的新方法。

  过度焦虑未来会变得悲观!

  参考文献

  1.  J. Larmor, in A Source Book in Astronomy and Astrophysics, 1900–1975, R. L. Kenneth, G. Owen, Eds. (Harvard University Press, Cambridge, MA and London, England, 1979), pp. 106-107.

  2.  A. Cooper et al., A global environmental crisis 42,000 years ago. Science 371, 811-818 (2021).

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